JUILLET 1 9 4 6 - - - - · - - - - LA HOUILLE BLANCHE 268
LA RECHERCHE . HYDROLOGIQUE DANS LA CONSERVATION DU SOL (1)
Lloyd L. HARROLD
Il est nécessaire, pour de nombreuses raisons, qu(' le programme du « Service de Conservation du Sol des Etats-Unis» s'appuie sur des recherches expéri- mentales. Sa tâche est d'établir des projets d'établis- sements fermiers en vue d'assurer une agriculture durable, la lutte contre les crues, et le meilleur usagc des ressources en eau. Pour cela, il est essentiel de eonnaÎtre la réaction des procédés de cniture et des caraetéristiques du terrain sur la « eonservation » du sol et des eaux. Il faut peser la valeur des mé- thodes couramment pratiquées devant chaque aspeet de la eonservation. On doit eonduire les recherehes, les expériences et les études, dans le but de dévelop- per des pri ncipes et des procédés nouveaux ct pro- fitables.
Les recherehes agrieoles sont effectuées pour la plupart, sur des terrains de diniensions restreintes.
L'application de méthodes statistiques demande de nombreux reeoupements, d'où la nécessité pratique de réduire les dimensions des terrains d'expérien- ees, pour pouvoir les multiplier. Les résultats obte- nus quant à la qualité et à J'abondanee des récoltes, peuvent généralement s'appliquer à de plus grandes superficies. Par contre, une extension directe n'est plus possible en ce qui concerne les débits de ruis- sellement et les entraÎnelnents du terrain par éro- sion. C'est pourquoi une station de reeherches hy- drologiques, faisant partie du programme de C01l-
servation des sols des Etats-Unis, a été montrée à Coshocton (Ohio), sur un bassin versant type, com- me le montrent les figures 1 et 2. C'est une de';
multiples stations de recherehe de conservation dn sol installées dans diverses régions des Etats-Unis.
Tous les travaux de recherche du serviee de con·
servation du sol sont d'ailleurs faites en collabora- tion avec les diverses stations expérimentales d'Etat.
Voici la nature des études faites sur ces hassins e'xpérimentaux :
1" Déterminer quantitativement l'effet des métho- des perfectionnées d'utilisation du sol et de lutte contre J'érosion sur la conservation du sol ct des eaux. Evaluer dans quelles proportions ces métho-
des permettent d'une part, de eontenir et de réduire les erues et, d'autre part, de soutenir ou d'augmen- ter les débits d'cau en période sèche.
2" Hassembler ct interpréter les résultats de me- sure de taux ct de débits de ruissellement dns ù des pluies variables en intensité ct en quantité; eeei, sur des zones eultivées s'éehelonnant du petit bas··
sin versant naturel à des superfieies de 2.000 à 2.500 hectares.
Le problème à étudier sur les bassins expél'Îmen- taux eonsiste en une étude détaillée ct complète du mouvement de l'eau depuis le moment où elle at- teint la surfaee du sol sous forme de précipitation jusqu'à celui où elle quitte le bassin sous forme <k courant de surfaee ou souterrain.
Il comprend J'étude des préeipitations, de J'infil- tration, de l'évaporation, des suintements, de l'aceu- mulation superfieielle ou souterraine ct des débits évaeués par les eours d'cau de sUl·faee. Sous réserve de développements futurs, le programme générai d'études comprend:
10 L'évaluation, grâee à des études expérimen- tales conduites avee soin, de tous les faeteurs qui influent sur l'écoulement de l'cau.
2" L'extension iÙlX grands bassins versants des résultats obtenus.
Le but de ce programme est de développer des méthodes permettant d'utiliser les résultats obtenus sur de petits terrains et de petits bassins versants, pour prédire les effets des changements de régime de culture sur de vastes surfaees pouvant prl~selller
une grande variété de sols ct de earaetéristiqnes to·
pographiques.
(1 )Le mot « conservation », qui peut paraître obscur, verra son sens s'éclairer à la lecture de ce qui suit. Il désigne l'ensemble des techniques destinées à préserver les terrains meubles contre toutes actions extérieures tendant à les détériorer et la m Ise en application de ces techniques Le mot français « préservation l}
serait mieux adapté, mais nous nous conformerons à l'u~age qui a adopté la transcription pure et simple du vocable anglaiS et nous irons même plus loin en employant, comme l'auteur, l'expression de
« conservation des eaux» qui se rapporte aux moyens d'assurer la meilleure utilisation des eaux de toutes sortes circulant ou séjour- nant tant en surface qu'en profondeur.
Article published by SHF and available athttp://www.shf-lhb.orgorhttp://dx.doi.org/10.1051/lhb/1946023
266 LA HOUILLE BLANCHE JUILLET 1946 Les rl'su!tats obtenus sont de première impor-
tance, au poinl de vue hydraulique" Il sont néces-
~;aires il l'étude économique des ouvrages de prote:;- lion contre les crues e! l'érosion et d'autres aména- gements hyd.rauliques. Le manque de données di-
La station de Coshocton est située dans l'est de l'Ohio, il environ 30 kilomètres au N.-E. de C010Ill- bus, capitale de ce! Etat.
Les premières mesures y conullcncèrenl en 1937.
La zone intéressée est caractéristique des zones de
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FIG. 1. -- BASSINS VERSANTS, PLUVIOMETRES, STATIONS D'ECOULEMENT ET LYSIMETRES SUR LE TERRAIN D'ETAT
gnes de conJiance entraine souvent l'insuccès com- plel de tels travaux. II arrive aussi, plus fréquem- ment peut-être, que des renseignements insuffisant;
conduisent il des coefJieients de sécurité inutilement élevés et, par suite, il des prix dont l'importance ne se justifie pas.
culture de la reglOn naturelle du Nord des Appala- ches qui comprend l'Est de l'Ohio, l'Ouest de la Pen- sylvanie, le Nord-Est du Kentucky et l'Ouest de l:l Virginie Occidentale. La zone d'expérience s'étenil au Sud des limites de glaciation, il la latitude de 40" 22' Nord et entre les altitudes de 240 et 400 mè-
JUILLET 1946 LA HOUILLE BLANCHE -~--- 267 Ires au-dessus du niveau de la mer. Le type de sol
le plus répandu dans ce!te zone est le limon de ?rIu,- kigum à provenance de grès et de schistes argileux.
11 tombe annuellement dans cette région clima-
reglOn OlJ 5 '0, seulemen[ de la superficie il uni:
pen le inf(~rieure ou égale il 5 % et OlJ les telTai ns dont ]a pente dépasse 20 % représentent enviroil 30 de la surface. La longueur et l'inelinaison des
FIG. 2. -- BASSINS VERSANTS. PLUVIOMETRES ET STATIONS D'ECOULEMENT SUR TERRAINS PRIVES
tique, une 1110yenne d'environ !J7 111m. de pluie. Les mois de plus l'orles précipitations coïncident ave,;
]a saison de moindre protection du sol. Il en est fréquemment résulté pendant de nombreuses année's, de forts ruissellements ct de sérieuses érosions du sol. L'érosion est un problème sérieux dans cettc
pentes influent fortement sur l'('rosion. Pour u:, accroissement de pente de 100 %, J'érosion aug- men[e de 150 il 200 %,
L'équipement de la zone d'expérience est indiqu('(' sur les figures 1 et 2. La figure 1 montre le terrain de 405 hectares contrôlé par ]e Gouvernement de:;
TABLEAU 1
DESCRIPTION DU BASSIN VERSANT
Su l'face d l'ainée en
Bassin Supel'ficie Dt'but Type de la station l'ente
versant ril'ainée moyenne PâlDrlge Cu\tlJI'es
N° lJeet. de l'enregistrement de mesul'e d't'eoulement dli sol(~"~ ou (sauf pl'ail'ies Divel's BoÎS (Xl
prairies d'assolement) (~-ri
'"/0 %
VI
H9 NOVEMBRE 1936 M 18 64 12 692 372 SEPTEMBRE 1936 M 21 5\) 1ô 4
94 614 FÉVRIER 1937 M 24 57 15 4
95 1.040 JANVIEH 1937 M 26 55 15 4
97 1.f<52 JANVIEH 1937 M 26 55 15 4
5 lH MAHS 1937 M 22 50 23 5
9 153 MARS 1937 M 20,0 45 ,JO 12 3
10 49 AOUT 1\)37 DS.P. - 4,5
-
25 48 21 611 118 MAHS 1937 DT
-
31 55 '12 213 178 AOUT 1937 M 45 43 g 3
20 151 MARS 1937 M 22 57 18 3
169 11,7 JANVIEH 1\)40
1
D.S.P. - 1,2 15,7 7 44 40 9
172 17,6 JANVIEH 1939 D.S.P. - 1,2 22,8 9\) 0 0 '1
'177 30,6 DÈCEMBRE 1939 D.S.P. - 2,4 15,7 11 ,3ô 42 11
'1~3 SO,i FÉVHIEH 1938 D,S.P. - 2,4 14,8 '14 50 35 1
19G 122,5 AVHIL 1937 M 14 2ô 44 22 8
102 0,5 MAHS 1937 S.P.-0,3 18,2 0 '100 0 0
103 0,24 MAHS 1939 H - 0,6 H,3
°
0 100 (-1-) 0104 0,54 MAHS 1937 S.P .• 0,3 20,7 0 100 0 0
106 0,63 MARS 1939 H • 0,75 i4,3 0 100 0 0
107 1,05 JUILLET 193!} H - 0,6 15,3 100 0 0 0
109 0,44 JUILLET 1938 H - 0,9 12,7
°
0 100 (-1) 0'110 0,51 MAHS 1939 H - 0,75 13,0 0 0 '1()O 0
111 0,48 AOUT 1939 H - 0,75 7,5 0 0 100 (+) 0
113 0,59 AOUT 193\:\ H - 0,75 9,3
° °
100 (+)°
115 0,65 DÉCEMBHE 1938 H - 0,75 6,6 0 0 100 0
llR 0,79 AOUT 11139 H - 0,9 9,6 0
°
100°
121 0,58 MAHS 1939 H • 0,75 15,8
° °
100Hl
0123 0,55 DÉCEMBRE 1938 H ·0,71) 6,8 0
°
100 (+)°
124 0,84 AOUT 1939 H - 0,75 12,9 0 '100 0 0
128 0,90 JUIN 1939 H - 0,9 13,6
°
0 1(iO°
129 1,0 MAHS 1938 S.P. - 0,3 18,6
°
100 0°
130 0,65 AVRIL 1938 S,P, . 0,22 21,7 0 100 0 0
131 0,90 MAI 1938 S.P. - 0,15 21,6 '100 0 0
°
134 0,37 MAI 1938 S.P. - 0,15 23,2 100 0 0 0
135 1,09 MARS 1938 S.P. - 0,3 15,3 0 100
°
0185 2,78 AOUT 1939 H - i,35 13,6
° °
100 0'187 2,91 AOUT 1939 H - 1,35 15,5
°
0 100°
188 0,83 JUILLET '1939 H - 0,9 9,2
°
0 100 0191 O,H AOUT 1939 H . 0,45 o,~
°
0 100 01112 3,18 AOUT 1939 H - 1,35 15,8
°
0 150 0, M - Station de moulinets avec section dc jaugeage aménagée.
S.P.L - seuil Parshall (C~lI1alVenturi) de 1 m. de largeà l'étranglement.
D,S. P. 5 . double seuil Pal'shaII comportant un déve,"soÎ!' principal de 5m. de large à l'étranglement et un petit canal complémentaire pour la mesure des faibles débits
H
r. -
canal de mesure de 1 m. de profondeur.DT.• déversoir triangulaire à large seuil. Pente des parois: 5: L . (+) - zones où sont appliquées les méthodes de culture perfectionnées.
JUILLET 1946 LA HOUILLE BLANCHE 269 Etats-Unis. C'e,.,~là que se font les études de détail,
sur ces petits hassins ne dépassant pas 3 ha. 25 (tableau 1). Sont actuellement en observation: une
cien procédé» (n'" 102 et 135), treize zones à asso- lement de quatre ans: une récolte par an : maïs, blé, foin (nO' 103, lOG, 109, 110, 113, 115, 118, 121, 123,
FIG. 3. -- BASSIN VERSANT CULTIVE PAR BANDES.
CEREALES SEMEES SUR LES BANDES LABOUREES, LUZERNES ET HERBES FOURRAGERES SUR LES BANDES DE GAZON
FIG. 4. -- CANAL (TYPE Hl POUR LA MESURE DU RUISSELLEMENT ET BAC A ARGILE POUR L'EROSION DU SOL SUR UN BASSIN VERSANT DE 0,8 HECTARE.
zone de forêts à maturité (n° 131), deux zones reboi- sées (n'" 107 et 134), une zone de prairie penna- nente (n° 130), deux zones de pâturage « perfec- tionné» (nO'104 et 129), deux zones depàturage «an-
128,188,191 et 192), enfin quatre zones cultivées par bandes (n'" 111, 124, 185, 187).
Parmi les terrains à assolement, il y en a chaque année une paire cultivée en hlé, une paire en maïs,
270 LA HOUILLE BLANCHE JUILLET 1946 une paire en praInes de première année et une
paire en prairies de seconde année. L'un des ter··
rains de chaque paire est cultivé sui vaut les m{,- thodes perfectiounl,es telles que la culture en lignes de niveau, et l'application intensive <l'engrais. L'autre, est cultivé en sillons rectilignes et avec moins d'e11-
21 m. de largeur, les unes en gazon, les autres la- bourées.
On effectue des mesures de précipitations, d,~
ruissellements, d'érosion et d'abondance de récoltes sur chacune de ces zones. Les taux et sommes de ruissellements sont déterminés au moyen de l'instal-
FIG. 5. -- PLUVIOMETRE-ENREGISTREUR, TYPE FERGUSSON
grais. Avant 1941, tous étaient traités de la même façon. Les terrains cultivés par bandes sont à deux cultures: foin et céréales. Une bande sur deux est en céréales et ces bandes sont séparées par une bande de gazon généralement récolté comme four- rage. Toutes les bandes sont d'égale largeur ct sui- vent les lignes de niveau. La figure
a
en montre delation représentée sur la figure 4. Cette photographie montre un canal en II avec un abri pour le limni- mètre enregistreur automatique, destiné à la mesure précise du ruissellement. La capacité en béton du premier plan sert à mesurer la quantité de sol per- due. On remarque le ravinement du bassin versant, au-dessus du canal. L'appareillage de mesure du
JUILLET 1946 LA HOUILLE BLANCHE 271 ruissellement est décrit par Harrold et Krimgold (1).
Les débits instantanés et cumulés des précipita- tions sont déterminés au pluviomètre enregistreur à pesée, représenté sur la figure 5. L'échelle des temps est telle que l'on puisse connaître les écarts de dé- bit d'une minute à l'autre. La connaissance du débit des précipitations pendant des périodes de moins de cinq minutes est nécessaire à l'analyse de la relation
les unes ou deux semaines pendant la 'saison de croissance des plantes, moins souvent pendant le reste de l'année. Comme le ~;ystème de racines (hl
la plupart des plantes est limité aux profondeurs de 0 à 1 mètre, la prise d'échantillons d'humidité n'a pas été poussée plus profondément. Un graphi- que montrant j'allure générale des variations d'hu- midité du sol pendant l'année 1!J40, est représenté
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50
20 30
40
FIG. 6. -- COURBES GENERALES D'HUMIDITE DU SOL DANS LA TRANCHE DE 0 A l M.
SOLS DE LIMON ARGILEUX DE MUSKINGUM COUVERT DE BOIS, PA;TURAGES, GAZON ET MAIS, EN 1940
précipitation-ruissellement, pour les bassins de drai- nage de un hectare et moins.
Sur cinq bassins choisis (deux en culture, un en bois et deux en pâturage) on prélève, pour déter- miner l'humidité, des échantillons de sol à des pro- fondeurs de 0 à 20 cm., 20 à 35 cm,., 55 à 70 cm. et 85 cm. à 1 mètre. Ces prélèvements sont faits toutes
sur la figure G. On a donné également pour les fo- rêts, les pâturages et les céréales, la ligne d'humidité à la saturation et la ligne d'humidité que le sol est capable de retenir contre l'action de la pesanteur (capacité d'absorption). Pendant les périodes où l'humidité dépasse la capacité d'absorption, l'ea.u s'infiltre vers la nappe souterraine,
(1) « Deviees for Measuring Rates and Amounts of Runoff ", par LL. Harqld et D.-B. Krimgold, SCS-TP-51, juillet 1943. U.S.
pepartment of· Agriculture.
L'eau qui descend au-dessous de la zone des ra- cines contribue généralement au débit des sources et à l'alimentation en eau souterraine, La meSlU'(!
272 LA HOU 1LLE BLANCHE JUILLET 1946 de ces débits se fait au lysimètres Y 101, Y 102 el
y 10:3 (fig. 1). La construction et le fonctionnement de ces lysimètres sont suffîsamment décrits par Kohnlœ (1).
L'enregistrement du poids de trois des onze boîtes du lysimètre donne les quantités d'eau provenant de l'évaporation il la surface du sol et de la tran~
piration des plante,~. On peut mesurer, il la fois.
avec ces lysimètres monoblocs il pesée, les quanti··
tés globales et les débits instantanés d'eau. Ainsi, on analyse k' mouvement de l'eau depuis le moment où elle attei nt le sol sous forme de pluie, jusqu'au moment où elle quitte la zone étudiée par écoule·
ment superficiel ou souterrain. La figure 7 donne des exemples de graphiques des diverses formes de répartition de l'eau de précipitation. Ils ont éli~
ôlablis au lysimètre Y102 pOUl' ]'annéeUl44.
En plus des bassins versants de moins de 3 ha. 25, en monoculture, il y a un certain nombre de bassins versants de diverses superfîcies allant de 12 Ù
1.850 ha. A l'exception du bassin boisé de 18 ha.
n" 172, ils portent tous une végétation variée: cultu- res, pàturages, prairies, bois, etc ... ; le tableau 1 donne les pourcentages en superficie de ces dive!"
emplois pour chaque zone. Il est il noter que les sta- tions de mesure de ruissellement pour des zones de 50 ha. et moins, sont d'un type étalonné a~l labo- ratoire. A cet effet, on a surtout utilisé le canal Parshall. Pour les zones dépassant 120 ha. environ, on a construit des seuils de mesure pernwnents pour la mesure des faibles débits et l'on s'est servi de moulinets pour établir la relation hauteur-débit. Ou aurait utilisé, dans tous les cas, des eanaux tarés à l'avance s'il avait été possible de les construire il bon marché p.our les gros débits. Il est extrême- ment difficile d'effectuer des mesures au moulinet, même pour les zones les plus étendues, car les crues croissent et décroissent très rapidement.
Les canaux Parshall (fig. 8) ont un radier plat, de sorte qu'ils ne sont pas adaptés il la mesure précise des petits débits. Ordinairement, ils ne sont pa:;
tarés pour des hauteurs d'eau inférieures il G cm.
Pour mesurer ces faibles débits, on utilise de petits canaux complémentaires; les débits inférieürs au minimum mesurable au canal principal passent par une ouverture latérale pratiquée dans la section de restitution du grand canal et sont dirigés vers uu petit canal où la hauteur d'eau et le débit peuvent être mesurés avec précision. Deux limnimètres enre-
(1) « A Surwey and Discussion of Lysimeters and Bibliography on their Construction and Performance" by Helmut Kohnke, F.-R.
Dreibeldis and J.-M. Davidson, U.S. Department of Agriculture, Mise. Bul., no 372, mai 1940.
gistreurs sont en service, l'un pour la mesure des hauteurs d'eau dans le grand canal Parshall, l'autre dans le petit. On obtient ainsi des enregistrements précis du débit pendant toute la durée de chaque période de crue et pendant quelques périodes de suintement de l'eau dans le sol.
Deux des bassins versants il couverture mixte restent cultivés suivant la pratique ancienne ou non- perfectionnée. Les autres zones il. couverture mixte furent mises en observation pendant quelques au ..
nées avec les vieilles méthodes de culture, après quoi on commença il appliquer les méthodes de
« conservation », mais il faudra encore plusieufs années avant que tous les terrains de chaque zone soient exploités ainsi. Le bassin non-perfectionné de 30 ha. n" 183 sera comparé au bassin versant per- fectionné de 30 ha. 5 n" 177. Les enregistrements des quantités et des débits de ruissellement serOIÜ ]es principales bases de comparaison. De même, le bassin non-perfectionné de 12:3 ha. n° 1HG sera com- lHlré aux bassins perfectionnés n'" 5, H, 11, 12, 20 et H1.
On étudiera l'efret des procédés de conservation sUI' les petits bassins il monoculture et sur le bassin il couvel·ture mixte décrit plus haut. Les enregis- trelnents obtenus sur des zones plus grandes nO' H2, H4, H5 et H7 aideront il. déterminer les efrets de ces méthodes de culture sur de plus grands bassins.
Il est nécessaire, pour l'étude hydraulique de nom- breux ouvrages, de connaître les valeurs des maxima de ruissellement en fonction des dimensions des bassins versants ct pour les différentes possibilités de répétition de pluies, On possède, en général, ces données pour les plus grands bassins des Etats-Unis, mais on connaît très peu de chose sur les débits il prévoir sur des bassins inférieurs à 25 km2• Les résultats fournis par notre Station de recherche contribueront il combler cc vide.
Grâce à la variété des bassins, nous pourrons étu- dier les efIets sur la surface drainée des temps de ruissellement, des pointes de crues, de la forme des courbes hydrographiques et de l'accumulation dan:, les cours d'cau. On peut calculer les fréquences des crues à partir d'enregistrcmen t englobant une courte période ct étendre les résultats aux fréquences plus faibles (2), mais on ne peut accorder une entière confiance aux chiffres déterminés par une extra- polation de cc genre. Par exemple, on a analysé un enregistrement sur six années ct établi une relation entre les maxima de crues et leur fréquence. La
(2) « Flow fram Drainage Basins Determined by Short-term Records » by L1loyd-L. Harold, Proc. Amer. Soc.'C, E., avril 1945.
JUILLET 1 9 4 6 - - - LA HOUILLE BLANCHE 273 courbe obtenue fut étendue il une période de cin··
quante ans et l'on en a déduit une CTue cinquante··
naire de 17 mm. 2 par heure. Une étude fut entre- prise SUI' la période de six ans, pour déterminer si
01', un an après, un orage survint qui provoqua une crue environ trois fois plus forte que la valeuf cinquantenaire prévue. Les conditions d'humidité du sol étaient sensiblement les mêmes que celles qui
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NFIG. 7. -- AUGMENTATION ET DIMINUTION DE L'HUMIDITE DU SOL ACCUMULEE AU LYSIMETRE EN PRAIRIE Y 102 C, 1944
elle était spécialement humide, sèche ou normale.
On en a conclu qu'elle était légèrement plus humide que la normale et que la eourhe ohtenue pouvait être utilisée en toute sécurité.
s'étaient présentées plusieurs fois pendant la périOf1t;
de six ans; les débits maxima de pluie pendant ce dernier orage n'avaient pas été plus élevés que ceux des plus forts orages de la période de six ans; c'est
274 LA HOUILLE BLANCHE JUILLET 1946 une coïncidence de forts débits de précipitation
avec une humidité déjà très grande du sol qui pro- duisit ce débit de ruis~~ellementanormalement fort.
On peut se demander au bout de combien de temps il faut s'attendre à voir se reproduire une crue de cette amplitude.
Evidemment, il faut avoir un enregistrement sur
sous une forme telle qu'ils puissent être utilisés ra- pidement pour toute espèce d'analyse, qu'elle con- cerne les valeUl's globales, les débits instantanés, le~
répartitions dans le temps ou toute étude similaire.
Avant que la seconde guerre mondiale n'englobe les Etats-Unis d'Amerique, un programme avait été éta- bli pour la publication des résultats hydrologiques
FIG. 8. -- CANAL PARSHALL
une période plus longue, avant de pouvoir répondr"
de façon satisfaisante à cette question. On prévoit de poursuivre ces études hydrologiques pendant une période de vingt ans ou plus, pour que leurs résul- tats puissent être utilisés en toute confiance.
Les enregistrements locaux sont constamment compilés et rassemhlés en tableaux. Ils sont mis
fondamentaux, provenant de nos bassins ou d'autrcs.
Ce programme fut intcrrompu et n'a pas encore été rétabli. On envisageait <le publier les résultats fon- damentaux chaque annéc et, tous les trois ou cinq ans, des bullctins spéciaux sur les découvertes et l'analyse des résultats. Peut-être ce programme sera- t-il repris dans un proche avcnir.
